[发明专利]微机电装置结构及调节机械振荡的频率的方法

说明书

一种微机电装置结构包括支承结构晶片(310)。在支承结构晶片中的腔内形成腔电极(130)。腔电极形成从腔的基部朝向功能层(300)的突出结构，并且腔电极连接至限定电位。腔电极包括在支承结构晶片中的腔内的硅柱，该硅柱部分地或完全地被腔包围。可以使用一个或多个腔电极来调节在功能层内发生的振荡的频率。本发明还涉及一种调节在微机电装置的功能层中的基本上平面的能移动元件的机械振荡的频率的方法。

技术领域

本发明涉及微机电装置结构及调节机械振荡的频率的方法。提出了一种作为这种微机电装置的具体示例的陀螺仪。

背景技术

微机电系统或MEMS可以被定义为小型的机械和机电系统，其中至少一些元件具有机械功能。由于MEMS装置是用与制造集成电路相同的工具制造的，因此甚至可以在同一硅片上制造微机械和微电子器件，以实现先进的装置。

MEMS结构可以应用于快速且准确地检测物理特性的微小变化。例如，微机电陀螺仪可以应用于快速且准确地检测非常小的角位移。运动具有如下的六个自由度：三个正交方向的平移和三个正交轴的旋转。后三者可以通过也被称为陀螺仪的角速度传感器测量。MEMS陀螺仪利用科里奥利效应来测量角速度。当质量体在一个方向上移动并施加旋转角速度时，由于科里奥利力的作用，质量体在正交方向上受力。然后可以用例如电容的、压电的或压阻的感测结构来读取所产生的由科里奥利力引起的物理位移。

在MEMS陀螺仪中，由于缺乏适当的轴承，主要运动通常不像常规陀螺仪那样连续旋转。相反，机械振荡可以用作主要运动。当振荡的陀螺仪受到与主运动方向正交的角运动时，会产生波动的科里奥利力。这产生与主运动以及角运动的轴正交并且在主振荡的频率处的次振荡。这个耦合振荡的幅度可以用作角速度的度量。

陀螺仪是非常复杂的惯性MEMS传感器。陀螺仪设计中的基本挑战是科里奥利力非常小并且因此与陀螺仪中存在的其他电信号相比所产生的信号往往是极小的。假性响应和对振动的敏感性困扰许多MEMS陀螺仪设计。

在先进的现有技术MEMS陀螺仪设计中，例如在US 7,325,451中描述的设计，外部施加的角速度被配置成引起两个平行定位的平面震动质量体相反相位的运动。这种运动可以用线性电容梳状电极来检测。由于具体的现有技术配置的围绕Z轴的主要运动和围绕X轴的检测运动的明确的振荡方向，主要模式振荡和检测模式振荡被有效地保持分开，从而已经提供了一种对外部冲击高度不敏感的稳固的传感器结构。

在诸如陀螺仪之类的感测装置或任何其他类型的微机电传感器的绝缘体上腔硅(CSOI)MEMS装置中，被称为结构晶片的硅层——即功能层——被图案化以形成微机电传感器装置的大部分功能部件。这样的功能部件可以包括例如诸如震动质量体的能移动的部件、用于引导运动的弹簧和梁、诸如电容梳状结构的激励和检测结构及其电连接件。梳状结构可以仅部分地移动，例如梳的一半是移动电极(转子电极)，另一半形成固定电极(定子电极)。另外，可以在功能层中形成不能移动的支承结构，例如悬挂结构(锚定件)。也被称为衬底的处理晶片通常形成对MEMS装置的机械刚性支承结构。在常规的MEMS装置中，处理晶片是装置的电无源(electrically passive)部分。通常，固定到衬底(也称作处理晶片)的盖或帽封装MEMS装置结构，使得衬底和帽一起形成保护MEMS传感器装置不受外部条件影响的外壳。可替选地，功能层可以包括固定框结构，该固定框结构为由衬底和帽形成的壳体提供壁。MEMS装置的功能部件可能需要环境保护，其不限制结构的能移动部件的移动。例如，在上述结构中，运动质量体和激励结构处于被围绕在处理晶片和帽晶片之间的功能层中，并且在处理晶片和/或帽晶片中经常产生腔以便允许结构晶片的能移动部分移动而不与保护帽和/或衬底接触。常规的加速度计和陀螺仪被认为是最简单的MEMS装置之一，因为它们与外界没有机械接触。